精馏塔的设计详解

1、机械设计部分目录一 前言3.,二 . 塔 设备任务书,4三.塔设备已知条件,5四. 塔设备设计计算,61、选择塔体和裙座的材料,62、塔体和封头壁厚的计算,63、设备质量载荷计算,74、风载荷与风弯距计算,95、地震载荷与地震弯距计算,126、 偏心载荷与偏心弯距计算,137、 最大弯距计算,148、 塔体危险截面强度和稳定性校核,149、 裙座强度和稳定性校核,1610、 塔设备压力试验时的应力校核,1811、基础环设计,1812、地脚螺栓设计,19五 . 塔 设备结构设计,20六 . 参考文献,21七 结束语21.,前言苯 (C6H6)在常温下为一种无色、有甜味的透明液体，并具有强烈的芳香

2、气味。苯可燃，有毒，也是一种致癌物质。它难溶于水，易溶于有机溶剂，本身也可作为有机溶剂。苯具有的环系叫苯环，是最简单的芳环。苯分子去掉一个氢以后的结构叫苯基，用Ph 表示。因此苯也可表示为PhH。苯是一种石油化工基本原料。苯的产量和生产的技术水平是一个国家石油化工发展水平的标志之一。甲苯是有机化合物，属芳香烃，分子式为C6H5CH。在常温下呈液体状，无色、易燃。3它的沸点为110 8，凝固点为95，密度为0 866 克厘米3。甲苯不溶于水，但溶于乙醇和苯的溶剂中。甲苯容易发生氯化，生成苯氯甲烷或苯三氯甲烷，它们都是工业上很好的溶剂；它还容易硝化，生成对硝基甲苯或邻硝基甲苯，它们都是染料的原料；

3、它还容易磺化，生成邻甲苯磺酸或对甲苯磺酸，它们是做染料或制糖精的原料。甲苯的蒸汽与空气混合形成爆炸性物质，因此它可以制造梯思梯炸药。甲苯与苯的性质很相似，是工业上应用很广的原料。但其蒸汽有毒，可以通过呼吸道对人体造成危害，使用和生产时要防止它进入呼吸器官。苯和甲苯都是重要的基本有机化工原料。工业上常用精馏方法将他们分离。精馏是分离液体混合物最早实现工业化的典型单元操作，广泛应用于化工，石油，医药， 冶金及环境保护等领域。它是通过加热造成汽液两相体系，利用混合物中各组分挥发度的差别实现组分的分离与提纯的目的。实现精馏操作的主要设备是精馏塔。精馏塔主要有板式塔和填料塔。板式塔的核心部件为塔板，其功

4、能是使气液两相保持密切而又充分的接触。塔板的结构主要由气体通道、溢流堰和降液管。本设计主要是对板式塔的设计。塔设备任务书简图与说明比例设计参数与要求工作压力MPa0.004腐蚀速率mm/a0.01设计压力MPa0.0044设计寿命a20工作温度oC120浮阀个数设计温度oC150浮阀间距介质名称苯、 甲苯保温材料厚度/mm100介质密度kg/m 3799.054保温材料密度 kg/m3300基本风压Pa300存留介质高度mm52.5/49地震烈度9壳体材料Q235-A场地类别内件材料塔形筛板塔裙座材料Q235-A塔板数目21偏心质量kg2000塔板间距mm500偏心距mm1000接管表符号公称

5、 尺寸连接 面形 式用途符号公称 尺寸连接 面形 式用途a1,2450mm人孔g45mm突面回流 口b1,2突面温度 计h1-325mm突面取样 口c突面进气 口i1,2突面液面 计d1,238mm突面加料 口j38mm突面出料 口e1,2突面压力 计k1-3450 mm突面人孔f127 mm突面排气 口条件内容修改修改标记修改内容签字日期塔径（原设计算错）备注甲苯 - 苯精馏塔设计单位名称化工系2 班刘丽娟工程名称提出人刘丽娟日期08.7.25第 3 页（共 20 页）机械设计部分. 塔设备已知条件塔体内径Di / mm1200场土地类别塔体高度H / mm10550偏心品质me / kg2

6、000设计压力p/ MPa0.0044偏心距e/ mm1000设计温度t /oC150塔保温层厚度s / mm100塔体材料Q-235A保温材料密度2 / kg /m3300许用应力 / MPa113裙座材料Q-235B t /MPa113许用应力 st /MPa113设计温度下弹性模量E/MPa5 2 10-5常温屈服点s /MPa235常温屈服点s / MPa235设计温度下弹性模量Es /MPa2 10-5厚度附加量C / mm2厚度附加量Cs / mm2塔体焊接头系数0.85人孔、平台数5介质密度/kg /m31000地脚螺线材料Q-235A塔盘数N48许用应力 bt / MPa147

7、每块塔盘存留介质层高度hw / mm50腐蚀裕量C2 / mm3基本分压值qo / Pa300个数n4地震设防烈度9表二：已知条件列表四 塔设备设计计算1、 选择塔体和裙座的材料设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，由 “工艺部分”的工艺条件可知塔顶表压为p 4kPa；通常情况下将容器在正常操作情况下容器顶部可能出现的最高工作压力称为容器的最大工作压力用pw表示，即 pw p 0.004MPa； 取设计压力p 1.1pw 0.0044MPa。设计温度是指容器在正常操作情况下，在相应设计压力下，设定的受压组件的金属温度，其值不得低于容器工作是器壁金属达到的最高温度。本设计塔内最高温度塔底取得tm

8、ax 120 oC，设计温度可以取为t 150 oC。从上可知，设计压力和设计温度都属于低压、低温状态，塔体和裙座的材料可用：Q235-A， GB912，热轧，厚度为34mm，常温下强度指标b 375MPa、s 235MPa，设计温度下的许用应力 t 113MPa。2、 塔体和封头壁厚的计算2.1 塔体壁厚的计算塔体的壁厚是值塔体计算出来的有效厚度，有效厚度可以用下式计算en C1 C2（式中为理论计算厚度，mm；为除去负偏差以后的圆整值，mm；n 为名义厚度，mm； C1 为钢板厚度负偏差，mm； C2为腐蚀裕量，mm。 ）2.1.1 理论计算厚度ptDi，其中Di指塔体的内径，由工艺部分计

9、算可知Di =1.2m； 为焊接头2 tp ii系数，本设计采用双面焊、局部无损探伤，=0.85 。0.03mmpDi0.0044 12002 t p 2 113 0.85 0.0044对于碳素钢和低合金钢制容器，min3mm， 而 0.2max。塔设备各段质量可以近似的按下表中的处理5.1.2 垂直地震力塔设备的垂直地震力按下式计算：Fv0 0 v,maxmeqg( v,max=0.65 max =0.585；00meq =0.75 mo7843.9kg) ，所以有：Fvv,maxmeqg =44969.1N机械设计部分任意质量i 处垂直地震力FvI I 按下式计算：FvI I = nmi

10、hiFv0 0mkhk k1塔段01122 33445长度 /m0.551144各点距地面高度hi /mm55015502550655010550质量 / kg545.2991.3991.33965.33965.3k1F0.00490.03940.20240.64621.3327Fk1/N299.861536.5152527.81525972.71541833.915Fv I I /N186.8405309957.391041575.062716183.40526066.401表三：水平、垂直地震力（以上计算均由Excel 自动生成）5.1.3 地震弯距对于等直径、等壁厚塔设备的任意截面I-I

11、 和底截面0 0 底基本振型地震弯距分别按下式进行计算：IIM E18C Z 1mo g3.52.53.50 01625 (10H14H h 4h ) M E1CZ 1mo gH175H 2.535M E1 1 M E11 1ME0 0ME10 0=0.457 0.5 0.37 10458.5 9.81 10.55 91512.2N.m8CZ 1mog(10H3.5 14H2.5h 4h3.5)175H2.58 0.5 0.37 10458.5 9.81352535.5.525.5.(10 10.553.5 14 10.552.5 0.55 4 0.553.5) =84806.8N175 10

12、.552.5.m2 22 2 8CZ 1mog3.52.53.5M E M E1 Z 1 2o5 (10H14H h1 4h1 )EE1 175H 2.5118 0.5 0.37 10458.5 9.813.52.53.525(10 10.5514 10.551 4 1 ) =79402.8N.m175 10.552.56、偏心载荷和偏心弯距的计算由前面计算可知，me 2000kg ， e 1000mm4Me mege 2000 9.8 1 1.96 10 N m7、最大弯距的计算塔设备任意计算截面I-I 处的最大弯距M I I 按下式进行计算maxMmaxI I =MaxMWI I Me，

13、M I IE 0.25MWI I Me同前面计算，本设计将对危险截面进行计算，如下表所示截面0 01 12 2IIMW ， N m12741611875393846IIME ， N m91512.284806.879402.8Me ， N m1.96 104MWI I Me ， N m147016138353113446M I IE 0.25MWI I Me142966.2134095.05122464.3M maxI I ， N m142966.2134095.05122464.3表四：求最大弯距8、塔体危险截面强度和稳定性校核8.1 圆筒轴向应力圆筒任意计算截面I-I 处的轴向应力分别按下

14、式进行计算。由于内压和外压引起的轴向应力 1：1 pDi /（4 ei ）2：2IIIImog FVFVI I 仅在最大弯距为地震弯距参与组合时计入此项）3： 34M maxII第 23 页（共 20 页）2Di ei8.2 圆筒稳定性校核圆筒许用轴向应力 cr 按下式确定： cr MinKB,K t圆筒最大组合拉应力按下二式进行校核：内压塔器：2+ 3 cr ；外压塔器：1 + 2 + 3 cr具体轴向应力求法和校核如下表所示：计算内容计算公式及数据0 0 截面1 1 截面2 2 截面有效厚度ei ， mm2.5筒体内径Di， mm1200计算截面以上的操作II质量mo， kg10458.5

15、985610103设计压力引起的轴向应力1 ， MPa0.0044 12001pDi /(4 ei ) =0.5281iei4 2.5000.528操作质量引起的轴向应力2 ， MPa2moi igDi ei10.891510.2640510.52128最大弯距引起的轴向应力3 ， MPaII4M max3D2i ei107.31101.2989.49载荷组合系数K1.2系数AA 0.094 ei / Ri0.00078设计温度下材料的许用应力 t查表可知（Q-235A， 150 度）的 t =113MPa113113113系数B， MPa117117117KB， MPa140.4140.41

16、40.4K t135.6135.6135.6许用轴向应力 cr取 KB和 K t 中的较小者135.6135.6135.6圆筒最大组合应力2+ 3对内压容器2+ 3 cr（满足条件）61.4810957.7145353.85613K t115.26115.26115.26圆筒最大组合拉应力123对内压容器123 K t 满足条件39.698137.1864333.34158表五：轴向应力的求取及校核9、裙座的强度和稳定性校核塔设备常采用裙座支承，并根据承载的不同，分为圆筒形和圆锥形两种。由于圆筒形裙座制造方便，被广泛采用。但需要配置较多的地脚螺栓和具有足够大承载面积的基础环，以防止由于风载荷或

17、地震载荷所引起的弯距而造成翻到。若经应力校核不能满足，只能选用圆锥形裙座支承。圆筒形裙座轴向应力校核首先选取裙座的危险截面。危险截面的位置，一般取裙座底截面或裙座检查孔和较大管线引出孔截面处。然后按裙座有效厚度验算危险截面的应力。9.1 裙座底截面的组合应力M max0000mogFv裙座底截面的组合应力按下式进行校核t00MinKB,K s （ Fv 仅在最大弯距为地震弯距参与组合时计入此项；Asb裙座底部截面积，AsbDis s； Zsb裙座圆筒和锥壳的底部截面2系数， Zsb Dis s。 ） 4由上计算可知：裙座有效厚度、裙座筒体内径、0-0 截面处最大弯距和操作质量分别为：es 2.

18、5mm，Dis1200mm， M max0 0 =142966.2N.m，mo0 0 =10458.5N.m0-0 截面积和截面系数分别为：2AsbDis s =3.14 1200 2.5=9420mm ，223ZsbDis s 0.785 1200 2 2.5=2.826 106 mm34裙座许用应力：Min KB , K st =Min140.4 ， 135.6=135.6 MPaMmax0 0 mog 142966200 10458.5 9.81tmax o61.48MPa Min KB , K s Z A 2.826 1069420s满足条件，材料安全9.2 裙座检查孔和较大管线引出孔

19、截面处组合应力裙座检查孔和较大管线引出孔h h 截面处组合应力按下式进行校核hhhhMmgtmaxoMinKB,K s 和Z smAsmhh0.3M W M e mZsmhhmaxAsmg MinKB0.9 s本设计中检查孔加强管长度、加强管水平方向的最大宽度、加强管厚度和裙座内径分别为： lm 100mm， bm 300mm， m 3mm， Dim 1200mmAm 2lm m 2 100 3 600mm，AsmDim es(bm 2 m) es Am 3.14 1200 2.5 2(300 6) 2.5 6002=90909420 mm2Zm2 eslm (Dim /2)2 (bm/2)2

20、2 2.5 100 (1200/2)2 (300/2)22.90474 105mm322Zsm 0.785Dim es (bmDim es/2 Zm)=0.785 12002 2.5 2 2(300 1200 2.5/2 2.90474 105 ) =6.746 106 mm3MinKB0.9 s Min140.4, 211.5=140.4 MPa1-1 截面处最大弯距、风弯距、以上操作质量和最大质量分别为机械设计部分11111111Mmax =134095.05N.m ， MW 118753N.m ， mo 9856kg， mmax 10103kgMmax1 1 mo1 1g 134.095

21、 9856 9.81tmax o30.51 MinKB,K sZsmAsm6.7469090s0.3MW1 1 MeZsm11mmax gAsm0.3 1187.53 10103 9.816.746909063.71 MinKB0.9 s 140.4第 27 页(共 20 页)10、塔设备压力试验时的应力校核10.1 圆筒应力试验压力引起的周向应力：T ( pTH / g)(Di ei ) ， 本设计采用水压试验，所T2 ei=0.001kg/cm 3,pT =1.25 p =0.0055 MPa62.25MPa(0.0055 0.001 2490 / 9.81)(1200 2.5)2 2.5

22、试验压力引起的轴向应力T1： T1 pTDi 0.0055 1200 0.66MPaT1 T1 4 ei4 2.522222-2 截面处的最大质量和风弯距分别为：mT=10103kg， MW2 2 93846N m6mT g 10103 9.81重力引起的轴向应力T2 ： T2 T8.26MPaT2 T2 4Di ei 4 1200 2.5弯距引起的轴向应力：T3224(0.3MW2 2 Me)2Di ei0.3 938.46 196000.785 1200 1.2 2.57.1MPa10.2 应力校核T 16.02MPa cr Min KB,0.9K s Min140.4,253.8 140

23、.4MPa液压试验时：T1 T2 T 3 0.66 8.26 7.1 0.9KsT2 T3 8.26 7.1 15.36 cr从上计算可知，材料安全。11、基础环设计水压试验时压应力：操作时压应力：b2裙座外径：DosDis2 es1206mmos s es基础环外径：DobDis3001500mm基础环内径：DibDis300900mm基础环伸出宽度：b (Dob Dos)/ 2 147mm相邻俩筋板最大外侧间距：l 160mm2262基础环面积：Ab0.785(Dob2 Dib2) 1.13 106 mm2基础环截面系数：Zb44(DobDib ) 2.88 108mm332DobMmax

24、0 0 mog142966.2 10458.5 9.81max o0.72MPaZA2.28 1051.13 1060.3MW0 0 MemmaxgZbAb0.3 127416 19600 21139.5 9.81 56 2.28 1051.13 1060.44MPa混凝土基础上的最大压力：b,max Max b1, b2 0.72MPa由 b/l 0.919，bmaxb2 15558.5，bmaxl2 18432可以查得对X轴和 Y轴的弯距分别,max,max为 MX 0.137 b b2 2131.5N m， MY 0.0891 b b2 1386.3N m Xb,maxYb,max计算力

25、矩：Ms MaxMX,MY 2131.5N m有筋板时基础环厚度：b10.64mm取 b =12mm12、螺栓计算最大拉应力：MW00 MemmingAb127416 19600 7470.2 9.812.88 1051.13 1060.45MPaB20000ME 0.25MW Mem0gAbZb机械设计部分91512.2 0.25 127416 19600 10458.5 9.81560.41MPa2.88 1051.13 106基础环中螺栓承受的最大拉应力：B Max B1, B2 0.45MPa 0所以塔必须设置地脚螺栓，取地脚螺栓为6 个。地脚螺栓螺纹小径：d14nBAbbt C24 30.1445 61.